聚丙烯中空纤维管制塑料换热器传热强化方法及性能研究

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列管式金属换热器在化工、石油、制药、能源、热法海水淡化等领域发挥着重要作用,但其长期存在金属管腐蚀及表面结垢等问题。以聚合物中空纤维管为换热元件的列管式塑料换热器,因能很好的解决金属换热器存在的问题,是近年来传热技术研究的重要方向之一,但不佳的传热性能,阻碍了其推广应用。针对列管式塑料换热器传热性能不佳的问题,本文以熔纺聚丙烯(PP)中空纤维管为基材,以间苯二胺、均苯三甲酰氯为活性单体,在换热管疏水性外表面上发生界面聚合反应,制备局部附着亲水性聚酰胺复合层的改性PP换热管M1,从而成功构建同时包含亲水、疏水区域的蒸汽冷凝用组合表面。通过亲水区域发生的膜状冷凝、疏水区域发生的滴状冷凝二者间的协同作用机制,进而强化传热性能。表征了M1的SEM、表面粗糙度、FT-IR、接触角及拉伸性能,实验研究了水相单体浓度C1、有机相单体浓度C2、有机相浸泡时间t1与吹扫时间t2,及反应时间t3等参数对M1传热性能的影响,获得了界面聚合改性参数优化结果。当C1为80 g·L-1,C2为8.0 g·L-1,t1为60 min,t2为15 s,t3为60 s时,M1性能最优,蒸汽冷凝总传热系数K、管外蒸汽冷凝传热系数αo分别高达2295W·m-2·K-1、9619 W·m-2·K-1。较未改性前,分别提高了87.29%、359.8%。在以上研究基础上,从添加表面活性剂促进界面聚合反应制备改性PP换热管M2方面,换热器放置方式、流体流向、流速、温度等工艺方面,换热管装填密度及编织方面,进一步开展了PP中空纤维换热器的传热强化方法及性能研究。表征了M2的SEM、表面粗糙度及拉伸性能。还研究了换热管保存方式对换热器传热性能影响。当十二烷基硫酸钠(表面活性剂)添加量为2.0 g·L-1时,M2性能最优。在换热管编织,其装填密度为5.4%,冷流体入口温度为20℃、流速为0.082 m·s-1,换热器垂直放置,冷、热流体逆流操作条件下,M2制换热器总传热系数K,较未编织的PP换热管(原管)及改性M1,分别提升了106.7%、26.20%。新制换热器测试性能后湿态保存60天再运行测试12 h,传热性能未显著改变。本文通过界面聚合法,在PP中空纤维管外表面成功构建亲-疏水组合表面,开展PP中空纤维塑料换热器传热强化方法及性能研究。该研究,对推动塑料换热器的发展及工业化应用,具有重要意义。
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